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title: "类型系统与特征"
description: "学习 Rust 的静态类型系统、特征（Traits）和泛型，对比 JavaScript 的动态类型系统"
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# 类型系统与特征

## 📖 学习目标

理解 Rust 的静态类型系统和特征系统，学会使用泛型和特征约束，对比 JavaScript 的动态类型系统。

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## 🎯 类型系统对比

### JavaScript 的动态类型

JavaScript 是动态类型语言，类型在运行时确定：

<UniversalEditor title="JavaScript 动态类型" compare={true}>
```javascript !! js
// JavaScript 动态类型示例
function add(a, b) {
    return a + b;
}

// 可以传递任何类型的参数
console.log(add(5, 3));        // 8 (数字)
console.log(add("Hello", " World")); // "Hello World" (字符串)
console.log(add(5, "3"));      // "53" (字符串拼接)
console.log(add([1, 2], [3, 4])); // "1,23,4" (数组转字符串)

// 运行时类型检查
function processData(data) {
    if (typeof data === 'number') {
        return data * 2;
    } else if (typeof data === 'string') {
        return data.toUpperCase();
    } else if (Array.isArray(data)) {
        return data.length;
    } else {
        return "未知类型";
    }
}

console.log(processData(10));      // 20
console.log(processData("hello")); // "HELLO"
console.log(processData([1, 2, 3])); // 3

// 类型转换
let value = "42";
let number = parseInt(value); // 显式转换
let result = value * 1;       // 隐式转换
console.log(typeof number, number); // "number" 42
console.log(typeof result, result); // "number" 42

// 动态属性
let obj = {};
obj.name = "Rust";           // 动态添加属性
obj.age = 25;
obj.sayHello = function() {  // 动态添加方法
    return `Hello, I'm ${this.name}`;
};

console.log(obj.sayHello()); // "Hello, I'm Rust"
```
</UniversalEditor>

### Rust 的静态类型

Rust 是静态类型语言，类型在编译时确定：

<UniversalEditor title="Rust 静态类型" compare={true}>
```rust !! rs
// Rust 静态类型示例
fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

// 只能传递指定类型的参数
println!("{}", add(5, 3)); // 8

// 这些会导致编译错误：
// println!("{}", add("Hello", "World")); // 错误：类型不匹配
// println!("{}", add(5, "3")); // 错误：类型不匹配

// 使用泛型处理不同类型
fn process_data<T>(data: T) -> String 
where
    T: std::fmt::Display,
{
    format!("处理后的数据: {}", data)
}

// 或者使用特征对象
trait Processable {
    fn process(&self) -> String;
}

impl Processable for i32 {
    fn process(&self) -> String {
        format!("数字: {}", self * 2)
    }
}

impl Processable for String {
    fn process(&self) -> String {
        format!("字符串: {}", self.to_uppercase())
    }
}

impl Processable for Vec<i32> {
    fn process(&self) -> String {
        format!("数组长度: {}", self.len())
    }
}

fn process_with_trait(data: &dyn Processable) -> String {
    data.process()
}

// 类型转换
fn type_conversion() {
    let value = "42";
    let number: i32 = value.parse().unwrap(); // 显式转换
    println!("转换后的数字: {}", number);
    
    // 使用 as 进行类型转换
    let float: f64 = 42.0;
    let integer: i32 = float as i32;
    println!("浮点数转整数: {}", integer);
}

// 结构体定义
struct User {
    name: String,
    age: u32,
}

impl User {
    fn new(name: String, age: u32) -> Self {
        User { name, age }
    }
    
    fn say_hello(&self) -> String {
        format!("Hello, I'm {}", self.name)
    }
}

fn main() {
    // 使用泛型函数
    println!("{}", process_data(10));
    println!("{}", process_data("hello".to_string()));
    
    // 使用特征对象
    println!("{}", process_with_trait(&42));
    println!("{}", process_with_trait(&"hello".to_string()));
    println!("{}", process_with_trait(&vec![1, 2, 3]));
    
    type_conversion();
    
    // 使用结构体
    let user = User::new("Rust".to_string(), 25);
    println!("{}", user.say_hello());
}
```
</UniversalEditor>

### 类型系统差异

1. **静态 vs 动态**: Rust 编译时检查类型，JavaScript 运行时检查
2. **类型安全**: Rust 防止类型错误，JavaScript 允许类型转换
3. **性能**: Rust 零成本抽象，JavaScript 有运行时开销
4. **开发体验**: Rust 编译时错误提示，JavaScript 运行时错误

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## 🔧 特征（Traits）系统

### 特征定义与实现

<UniversalEditor title="特征系统" compare={true}>
```rust !! rs
// 定义特征（类似 JavaScript 的接口概念）
trait Printable {
    fn print(&self);
    fn get_description(&self) -> String {
        String::from("默认描述") // 默认实现
    }
}

// 为不同类型实现特征
struct Book {
    title: String,
    author: String,
    pages: u32,
}

impl Printable for Book {
    fn print(&self) {
        println!("书名: {}, 作者: {}, 页数: {}", 
                 self.title, self.author, self.pages);
    }
    
    fn get_description(&self) -> String {
        format!("《{}》由{}编写，共{}页", 
                self.title, self.author, self.pages)
    }
}

struct Movie {
    title: String,
    director: String,
    duration: u32,
}

impl Printable for Movie {
    fn print(&self) {
        println!("电影: {}, 导演: {}, 时长: {}分钟", 
                 self.title, self.director, self.duration);
    }
}

// 使用特征约束
fn print_item<T: Printable>(item: &T) {
    item.print();
    println!("描述: {}", item.get_description());
}

// 特征作为参数
fn print_multiple_items(items: &[&dyn Printable]) {
    for item in items {
        item.print();
    }
}

// 特征作为返回值
fn create_printable(is_book: bool) -> Box<dyn Printable> {
    if is_book {
        Box::new(Book {
            title: String::from("Rust 编程"),
            author: String::from("Steve Klabnik"),
            pages: 500,
        })
    } else {
        Box::new(Movie {
            title: String::from("Rust 纪录片"),
            director: String::from("Graydon Hoare"),
            duration: 120,
        })
    }
}

fn main() {
    let book = Book {
        title: String::from("Rust 权威指南"),
        author: String::from("Steve Klabnik"),
        pages: 400,
    };
    
    let movie = Movie {
        title: String::from("Rust 编程语言"),
        director: String::from("Graydon Hoare"),
        duration: 90,
    };
    
    // 使用特征约束函数
    print_item(&book);
    print_item(&movie);
    
    // 使用特征对象
    let items: Vec<&dyn Printable> = vec![&book, &movie];
    print_multiple_items(&items);
    
    // 使用特征作为返回值
    let printable = create_printable(true);
    printable.print();
}
```
</UniversalEditor>

### 特征与 JavaScript 接口对比

<UniversalEditor title="特征 vs 接口" compare={true}>
```javascript !! js
// JavaScript 接口概念（通过文档约定）
/**
 * @interface Printable
 * @property {function} print - 打印方法
 * @property {function} getDescription - 获取描述方法
 */

// 实现"接口"
class Book {
    constructor(title, author, pages) {
        this.title = title;
        this.author = author;
        this.pages = pages;
    }
    
    print() {
        console.log(`书名: ${this.title}, 作者: ${this.author}, 页数: ${this.pages}`);
    }
    
    getDescription() {
        return `《${this.title}》由${this.author}编写，共${this.pages}页`;
    }
}

class Movie {
    constructor(title, director, duration) {
        this.title = title;
        this.director = director;
        this.duration = duration;
    }
    
    print() {
        console.log(`电影: ${this.title}, 导演: ${this.director}, 时长: ${this.duration}分钟`);
    }
    
    getDescription() {
        return `${this.title} 由 ${this.director} 导演，时长 ${this.duration} 分钟`;
    }
}

// 使用"接口"
function printItem(item) {
    if (typeof item.print === 'function') {
        item.print();
        if (typeof item.getDescription === 'function') {
            console.log("描述:", item.getDescription());
        }
    }
}

// 鸭子类型：只要对象有相应方法就可以使用
const book = new Book("JavaScript 权威指南", "David Flanagan", 1000);
const movie = new Movie("JavaScript 纪录片", "Brendan Eich", 60);

printItem(book);
printItem(movie);

// 甚至可以使用普通对象
const simpleObject = {
    print() {
        console.log("简单对象");
    },
    getDescription() {
        return "这是一个简单对象";
    }
};

printItem(simpleObject);
```

```rust !! rs
// Rust 特征系统（编译时检查）
trait Printable {
    fn print(&self);
    fn get_description(&self) -> String {
        String::from("默认描述")
    }
}

struct Book {
    title: String,
    author: String,
    pages: u32,
}

impl Printable for Book {
    fn print(&self) {
        println!("书名: {}, 作者: {}, 页数: {}", 
                 self.title, self.author, self.pages);
    }
    
    fn get_description(&self) -> String {
        format!("《{}》由{}编写，共{}页", 
                self.title, self.author, self.pages)
    }
}

struct Movie {
    title: String,
    director: String,
    duration: u32,
}

impl Printable for Movie {
    fn print(&self) {
        println!("电影: {}, 导演: {}, 时长: {}分钟", 
                 self.title, self.director, self.duration);
    }
}

// 编译时检查：只有实现了 Printable 特征的类型才能使用
fn print_item<T: Printable>(item: &T) {
    item.print();
    println!("描述: {}", item.get_description());
}

fn main() {
    let book = Book {
        title: String::from("Rust 权威指南"),
        author: String::from("Steve Klabnik"),
        pages: 400,
    };
    
    let movie = Movie {
        title: String::from("Rust 编程语言"),
        director: String::from("Graydon Hoare"),
        duration: 90,
    };
    
    print_item(&book);  // 编译时检查通过
    print_item(&movie); // 编译时检查通过
    
    // 这会导致编译错误：
    // let simple_object = "hello";
    // print_item(&simple_object); // 错误：String 没有实现 Printable
}
```
</UniversalEditor>

---

## 🔄 泛型编程

### 泛型函数和结构体

<UniversalEditor title="泛型编程" compare={true}>
```rust !! rs
// 泛型函数
fn find_max<T: PartialOrd>(list: &[T]) -> Option<&T> {
    if list.is_empty() {
        return None;
    }
    
    let mut max = &list[0];
    for item in list {
        if item > max {
            max = item;
        }
    }
    Some(max)
}

// 泛型结构体
struct Pair<T, U> {
    first: T,
    second: U,
}

impl<T, U> Pair<T, U> {
    fn new(first: T, second: U) -> Self {
        Pair { first, second }
    }
    
    fn get_first(&self) -> &T {
        &self.first
    }
    
    fn get_second(&self) -> &U {
        &self.second
    }
}

// 为特定类型实现特定方法
impl Pair<String, i32> {
    fn describe(&self) -> String {
        format!("字符串: {}, 数字: {}", self.first, self.second)
    }
}

// 泛型枚举
enum Result<T, E> {
    Ok(T),
    Err(E),
}

// 使用泛型实现通用容器
struct Container<T> {
    items: Vec<T>,
}

impl<T> Container<T> {
    fn new() -> Self {
        Container { items: Vec::new() }
    }
    
    fn add(&mut self, item: T) {
        self.items.push(item);
    }
    
    fn get(&self, index: usize) -> Option<&T> {
        self.items.get(index)
    }
    
    fn len(&self) -> usize {
        self.items.len()
    }
}

// 为实现了特定特征的类型添加方法
impl<T: std::fmt::Display> Container<T> {
    fn print_all(&self) {
        for (i, item) in self.items.iter().enumerate() {
            println!("项目 {}: {}", i, item);
        }
    }
}

fn main() {
    // 使用泛型函数
    let numbers = vec![1, 5, 3, 9, 2];
    if let Some(max) = find_max(&numbers) {
        println!("最大值: {}", max);
    }
    
    let words = vec!["apple", "banana", "cherry"];
    if let Some(max) = find_max(&words) {
        println!("最大单词: {}", max);
    }
    
    // 使用泛型结构体
    let pair1 = Pair::new(42, "hello");
    let pair2 = Pair::new(String::from("Rust"), 100);
    
    println!("第一个: {}, 第二个: {}", 
             pair1.get_first(), pair1.get_second());
    println!("{}", pair2.describe());
    
    // 使用泛型容器
    let mut container = Container::new();
    container.add(1);
    container.add(2);
    container.add(3);
    
    container.print_all();
    println!("容器长度: {}", container.len());
}
```
</UniversalEditor>

### 特征约束和关联类型

<UniversalEditor title="特征约束" compare={true}>
```rust !! rs
// 特征约束
trait Summary {
    fn summarize(&self) -> String;
}

trait Display {
    fn display(&self) -> String;
}

// 多个特征约束
fn print_summary<T: Summary + Display>(item: &T) {
    println!("摘要: {}", item.summarize());
    println!("显示: {}", item.display());
}

// where 子句
fn complex_function<T, U>(t: &T, u: &U) -> String
where
    T: Summary + Display,
    U: Summary,
{
    format!("T摘要: {}, T显示: {}, U摘要: {}", 
            t.summarize(), t.display(), u.summarize())
}

// 关联类型
trait Iterator {
    type Item;
    
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item>;
}

struct Counter {
    count: u32,
    max: u32,
}

impl Iterator for Counter {
    type Item = u32;
    
    fn next(&mut self) -> Option<Self::Item> {
        if self.count < self.max {
            self.count += 1;
            Some(self.count)
        } else {
            None
        }
    }
}

// 默认类型参数
trait Add<Rhs = Self> {
    type Output;
    
    fn add(self, rhs: Rhs) -> Self::Output;
}

impl Add for i32 {
    type Output = i32;
    
    fn add(self, rhs: i32) -> i32 {
        self + rhs
    }
}

// 使用特征约束实现条件方法
struct Wrapper<T> {
    value: T,
}

impl<T> Wrapper<T> {
    fn new(value: T) -> Self {
        Wrapper { value }
    }
}

// 只有实现了 Display 的类型才有这个方法
impl<T: std::fmt::Display> Wrapper<T> {
    fn print(&self) {
        println!("值: {}", self.value);
    }
}

// 只有实现了 Clone 的类型才有这个方法
impl<T: Clone> Wrapper<T> {
    fn duplicate(&self) -> Self {
        Wrapper {
            value: self.value.clone(),
        }
    }
}

fn main() {
    let counter = Counter { count: 0, max: 5 };
    let mut counter = counter;
    
    while let Some(value) = counter.next() {
        println!("计数: {}", value);
    }
    
    let wrapper1 = Wrapper::new(42);
    wrapper1.print(); // 可以调用，因为 i32 实现了 Display
    let wrapper2 = wrapper1.duplicate(); // 可以调用，因为 i32 实现了 Clone
    
    let wrapper3 = Wrapper::new("hello".to_string());
    wrapper3.print(); // 可以调用，因为 String 实现了 Display
    let wrapper4 = wrapper3.duplicate(); // 可以调用，因为 String 实现了 Clone
}
```
</UniversalEditor>

---

## 🎯 练习题

### 练习 1: 实现特征

为以下结构体实现 `Display` 和 `Debug` 特征：

```rust
struct Point {
    x: f64,
    y: f64,
}
```

<details>
<summary>查看答案</summary>

```rust
use std::fmt;

struct Point {
    x: f64,
    y: f64,
}

impl fmt::Display for Point {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "({}, {})", self.x, self.y)
    }
}

impl fmt::Debug for Point {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
        write!(f, "Point {{ x: {}, y: {} }}", self.x, self.y)
    }
}

fn main() {
    let point = Point { x: 3.0, y: 4.0 };
    println!("显示: {}", point);
    println!("调试: {:?}", point);
}
```

</details>

### 练习 2: 泛型函数

创建一个泛型函数，可以比较两个值的大小：

<details>
<summary>查看答案</summary>

```rust
fn compare<T: PartialOrd>(a: &T, b: &T) -> std::cmp::Ordering {
    a.partial_cmp(b).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal)
}

fn main() {
    let result1 = compare(&5, &3);
    println!("5 与 3 比较: {:?}", result1); // Greater
    
    let result2 = compare(&"apple", &"banana");
    println!("apple 与 banana 比较: {:?}", result2); // Less
    
    let result3 = compare(&3.14, &3.14);
    println!("3.14 与 3.14 比较: {:?}", result3); // Equal
}
```

</details>

### 练习 3: 特征对象

创建一个特征对象，可以存储不同类型的可打印对象：

<details>
<summary>查看答案</summary>

```rust
trait Printable {
    fn print(&self);
}

struct Book {
    title: String,
}

impl Printable for Book {
    fn print(&self) {
        println!("书: {}", self.title);
    }
}

struct Movie {
    title: String,
}

impl Printable for Movie {
    fn print(&self) {
        println!("电影: {}", self.title);
    }
}

fn main() {
    let items: Vec<Box<dyn Printable>> = vec![
        Box::new(Book { title: "Rust 编程".to_string() }),
        Box::new(Movie { title: "Rust 纪录片".to_string() }),
    ];
    
    for item in items {
        item.print();
    }
}
```

</details>

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## 📝 总结

在这一章中，我们学习了 Rust 的类型系统和特征：

1. **静态类型**: Rust 在编译时检查类型，防止运行时错误
2. **特征系统**: 提供接口抽象，支持多态编程
3. **泛型编程**: 编写可重用的类型无关代码
4. **特征约束**: 限制泛型类型必须实现的特征
5. **与 JavaScript 对比**: 编译时安全 vs 运行时灵活性

### 关键要点

- Rust 的类型系统提供编译时安全保障
- 特征系统是 Rust 多态的核心机制
- 泛型允许编写类型无关的通用代码
- 特征约束确保类型具有所需的行为

### 下一步学习

在下一章中，我们将学习 Rust 的错误处理机制，了解如何使用 `Result` 和 `Option` 类型。

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**继续学习**: [错误处理与类型安全](./module-06-error-handling) 